基于不確定性理論的煤炭城市可持續發展評價模型

劉 學，董春游，曹志國，陽小麗

(1. 黑龍江科技學院研究生學院，黑龍江 哈爾濱 150027；2. 神華集團科技發展部，北京 100011)

煤炭資源一直以來都是我國的主要能源，在我國一次性能源消費中其比例占2/3以上，據統計，煤炭為我國經濟社會發展提供了75%的工業燃料、76%的發電燃料、80%的民用商品能源和60%的化工燃料，今后幾十年，以煤炭資源為主的一次能源結構仍不會改變。而作為國家重要能源基地的煤炭城市在促進國民經濟發展中發揮了重要作用[1]。煤炭城市主要指依托煤炭資源的開發而興起，煤炭工業，尤其是煤炭采選業在城市工業經濟中占重要地位和相當比重的城市，它具有強烈的資源型指向性。我國目前有154座煤炭城市，涉及人口近2億人[2]。由于煤炭資源的不可再生性，煤炭城市的持續開采必將使此類城市面臨資源枯竭，結構失衡，“三廢”污染，水土流失，地面塌陷等一系列問題。如何實現由煤炭資源型城市向生態型可持續發展城市的轉變，成為我國一項亟待解決的重要課題。為此，我們有必要對煤炭資源型城市可持續發展程度進行合理評價，明確影響煤炭資源型城市可持續發展的關鍵因素及其所處的發展程度、發展階段等。

云模型[3]和粗集[4]是當前處理不確定、多屬性問題的兩個比較好的工具，它們在處理方法上各具特點，而且功能上可以實現互補。將二者相結合，可以更有效的處理大量復雜的不確定數據和信息，提取更多有價值的隱含規則，并且能夠有效避免如灰色關聯分析[5]、層次分析方法[6]等存在的模糊指標精確化、隨機指標缺省化、指標權重主觀化等現象。信息熵是獲取不確定性的度量的有效工具，利用熵權法獲取指標的權重能有效克服主觀因素的不利影響，與其他方法相比，具有更高的可信度?？紤]到影響煤炭城市可持續發展水平的因素眾多，且存在較大的不確定性，本文將云模型、粗集和熵權理論相結合，提出了基于不確定性理論的煤炭城市可持續發展評價模型，對我國25個煤炭城市的可持續發展狀況進行合理評價，最終確定其可持續發展等級，同時考慮了評價所涉及的隨機性和模糊性因素，使其評價結果相對更客觀、有效。

1 指標體系的構建與指標權重的獲取

1.1 煤炭城市可持續發展指標體系

構建評價指標體系一般要考慮其科學性、系統性、實用性、數據的可獲取性等原則。對于煤炭型城市，既要考慮其經濟和社會發展水平，又要從煤炭城市的特色和實際需要出發，兼顧其資源與環境因素，此外，還應重視煤礦安全問題對城市發展的重要作用。根據粗集理論研究的需要，綜合考慮影響煤炭城市可持續發展的各方面因素，本文構建了共包含11項評價指標的指標體系[7-8]：I1為煤炭資源回采率(%)；I2為煤炭資源儲采比例(%)；I3為建成區綠化覆蓋率(%)；I4為人均GDP(萬元)；I5為工業增加值占GDP比重(%)；I6為人均教育支出(元)；I7為每萬人擁有醫生數(人)；I8為城鎮就業率(%)；I9為人均消費品零售額(萬元)；I10為第三產業從業人員比重(%)；I11為安全培訓投入費用(萬元)。

1.2 熵權法獲取指標權重

獲取指標權重方面已有很多方法，包括：熵權法、層次分析法、專家評判法、變異系數法、主成分分析法、線性加權組合法等[9]。而相比之下，熵權法給出的指標權重值具有有更高的可信度，能有效避免主觀因素影響比較適合煤炭城市可持續發展的評價。

設對象集{x1,x2,x3,…xn}包含待評價的n個煤炭城市，指標集{I1,I2,I3,…Im}包含m個評價指標。于是評價系統的初始數據矩陣A：A=(aij)n×m，其中aij表示第i個煤炭城市的第j項評價指標的數值。則指標權重可由如下步驟獲得[10]：

2 評價模型的建立

基于不確定性理論的煤炭城市可持續發展評價模型具體包含以下5步：

第1步：對初始數據進行離散化。由于現實中的數據往往是一些連續型的數據，而粗集理論對連續型數據無法處理，故在屬性約簡前必須將連續數據離散化。首先，對初始數據進行標準化處理，考慮到評價問題中的隨機性和模糊性因素，本文借助云變換進行數據離散化[11]。

第2步：屬性約簡。這一步就是運用粗集中的知識約簡的辦法，在保持盡量保持分類能力不變的前提下，約去冗余的指標數據，構成簡化后的新的指標體系。

第3步：利用熵權法計算評價指標的權向量：ω={ω1,ω2,…ωm}。

第4步：根據評價等級劃分標準，利用正向云發生器[3]實現等級評語的云模型化，即：將每個等級評語用一個一維正態云模型來描述。其云數字特征值可由以下公式計算得到[12]:

第5步：評價。利用標準化后的指標數據與權向量進行內積運算，得到每個煤炭城市xi綜合評價變量Vi(i=1,2…n)，然后根據評價等級劃分標準，利用X-條件云發生器[3]得到各評價對象對每個等級的隸屬度，這樣選擇隸屬度最大的評價等級，即作為該對象所處的評價等級。

3 實證分析

根據建立的煤炭城市可持續發展評價指標體系，通過網絡搜集和查閱2010年各煤炭城市的相關年鑒數據，獲取全國25個主要煤炭城市實際指標數據并運用云變換進行數據離散化處理得到離散化后的數據見表1(篇幅所限只給出部分離散化數據)。

表1 各煤炭城市離散化后的指標數據

按照粗集中屬性約簡的知識，借助MATLAB編程來實現對指標的約簡，通過運算發現：

U/I≠U/(I-I1)；U/I≠U/(I-I3)；U/I≠U/(I-I5)；U/I≠U/(I-I9)

因此，屬性集的核為CORE={I1,I3,I5,I9}，說明在指標體系中，煤炭資源回采率(I1)，建成區綠化覆蓋率(I3)，工業增加值占GDP比重(I5)，人均消費品零售額(I9)是不可約簡的，其余均可約簡。但是，筆者認為人均GDP和煤礦安全性因素在煤炭城市可持續發展中的重要作用不可忽視，因此最終保留I1，I3，I4，I5，I9，I11這6個評價指標構成新的指標體系。

結合前面熵權法獲取指標權重的算法并根據簡化后的指標體系獲取各評價指標的權重如下：

ω={ω1,ω2,…ωm*}={0.0732，0.3233，0.0793，0.2876，0.1946，0.0419}。

本文采用我國煤炭工業可持續發展研究課題組研究報告中的可持續發展評價等級劃分標準，具體如下見表2。

表2 煤炭城市可持續發展評價的等級劃分標準[12]

根據表2的評價等級劃分標準，利用正向云發生器算法，獲得各評價等級的云特征值為：

第一等級：(0.9250，0.0637，0.0800)

第二等級：(0.7750，0.0637，0.0800)

第三等級：(0.6000，0.0849，0.0800)

第四等級：(0.2500，0.2123，0.0800)

各評價等級對應的云圖如圖1所示。

圖1 各評價等級的云圖

根據約簡后的指標體系，利用評價模型第5步中的算法產生每個評價指標對應各等級的隸屬度，進而得到各煤炭城市的可持續發展等級，其最終評價結果如表3所示。

表3 25個煤炭城市的最終評價結果

4 結 論

從評價結果來看，可持續發展處于第一等級，即已達到可持續發展階段的煤炭城市為極少數，僅有晉城、焦作；而少部分的煤炭城市，大同、唐山、徐州、棗莊處于第二等級，即已處于初級可持續發展階段；多數煤炭城市，陽泉、撫順、阜新、遼源、雞西、鶴崗、雙鴨山、烏海、淮南、淮北、平頂山、石嘴山處于由傳統發展向可持續發展轉變的第三等級；而朔州、七臺河、赤峰、萍鄉、鶴壁、銅川、六盤水這幾個煤炭城市則屬第四等級，即仍處于傳統發展階段?？傮w來看，我國各煤炭城市的可持續發展狀況不容樂觀，可持續發展水平較高的城市只占極少數，大多數煤炭城市還處于傳統發展向可持續發展轉變的階段。由此可見，要實現我國煤炭城市的可持續發展，任重而道遠，只有在煤炭城市發展的宏觀和整體層次上，統籌規劃，讓各方面因子協調發展，并且努力貫徹分類指導的原則，尤其對那些處較低等級的煤炭城市，積極采取相應的產業轉型戰略和政策，才能使煤炭資源型城市沿著可持續發展的路子不斷邁進。

本文針對煤炭城市可持續發展評價存在較多不確定性及評價指標眾多不易挖掘規則等問題，將云模型、粗集與熵理論相結合，建立評價模型，對我國25個主要煤炭城市的可持續發展狀況進行了評價，最終確定了其可持續發展等級，為進一步提高煤炭城市的可持續發展水平提供了一定的依據。從最終運行結果看，評價結果基本符合客觀實際，表明該評價模型確實可行，有效，具有較強的推廣應用價值。

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